INSTRUMENTACIÓN Y AUSCULTACIÓN DE TÚNELES Y OBRAS SUBTERRÁNEAS

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A raíz de la fuerte evolución de la Alta Velocidad Ferroviaria en España se han acometido gran número de retos y obras tremendamente ambiciosas, entre las que se encuentran viaductos de enorme envergadura y túneles de gran longitud.

Por otro lado, el desarrollo en nuestras ciudades de multitud de ferrocarriles metropolitanos ha provocado un importante aumento de obras subterráneas en zonas edificadas.

Esta situación (de grandes túneles ferroviarios y de aumento de actuaciones en subsuelo urbano) ha supuesto un incremento notable de las inversiones en instrumentación: por un lado, la lógica preocupación por las afecciones de las obras subterráneas y, por otro, conocer la evolución en el tiempo de estas infraestructuras y del terreno, de sus deformaciones y sus esfuerzos, tanto durante la fase de obra, como en la fase de mantenimiento.

DEFINICIONES

En primer lugar, vamos a definir adecuadamente el objeto de este documento, a fin de poder concretar y acotar la correcta terminología, así como algunos conceptos que es necesario conocer.

Para este fin, la mejor fuente posible la constituye el Diccionario de la Lengua Española; donde nos encontramos, no obstante, con la dificultad de que en las diversas acepciones de las palabras AUSCULTAR e INSTRUMENTAR no se ha contemplado la perspectiva técnica e ingenieril:

·         Auscultar: 

1.     tr. Med. Aplicar el oído a la pared torácica o abdominal, con instrumentos adecuados o sin ellos, a fin de explorar los sonidos o ruidos normales o patológicos producidos en los órganos que las cavidades del pecho o vientre contienen.

2.     tr. Sondear el pensamiento de otras personas, el estado de un negocio, la disposición ajena ante un asunto, etc.

·         Instrumentar: 

1.     tr. Preparar las partituras de una composición musical para cada uno de los instrumentos que la ejecutan.                                                           

2.     2.tr.Crear, constituir, organizar.

3.     tr. Med. Disponer o preparar el instrumental.

4.     tr. Taurom. Ejecutar las diversas suertes de la lidia.

·         Instrumental:

(…)

7.      m. Conjunto de instrumentos profesionales del médico o del cirujano.

·         Sensor:

(…)

Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente.  

Resulta evidente que, al margen de consideraciones taurinas o musicales, es la acepción biosanitaria o médica la que más se ajusta al significado que la Ingeniería asigna a ambas palabras pues, en definitiva, se trata de conocer en todo momento el estado de nuestras obras, de igual forma que el médico ausculta e instrumentaliza a sus pacientes con el objeto de obtener parámetros y variables que le permita evaluar su salud y constantes vitales. Nos resistimos no obstante, en el símil propuesto, a emplear la palabra enfermo pues sería generalizar la existencia de patologías a todas nuestras Infraestructuras, situación incierta e indeseable. Por completar la comparación propuesta, debemos planificar la Instrumentación y Auscultación de nuestras Obras con el mismo espíritu previsor y precavido de la Medicina Preventiva.

Sin embargo, la palabra sensor (agente del verbo latino sentĭo), cuenta en la misma fuente con una acepción mucho más ajustada a nuestro interés: Dispositivo que detecta una determinada acción externa, temperatura, presión, etc., y la transmite adecuadamente.

En este sentido, entendemos instrumentación como la instalación y disposición de los diversos sensores destinados a la lectura de las distintas magnitudes geotécnicas que se pretende controlar durante el proceso de auscultación del elemento constructivo, en este caso un túnel, para conocer su evolución y comportamiento durante sus fases constructiva y de explotación, e incluso, en fase de proyecto para evaluar las condiciones iniciales y determinar los parámetros de diseño.

La auscultación geotécnica se ha convertido en nuestros días en una potente herramienta al servicio de la ingeniería, respondiendo a la necesidad de conocer y controlar adecuadamente el comportamiento de nuestras obras, cada vez más complejas y ambiciosas.

Definido el concepto fundamental, hay otros términos que es imprescindible conocer para poder seguir con la lectura de este texto:

Los distintos sensores se instalan en determinadas zonas del túnel y es necesario agruparlos en Secciones de Control. Se colocan en los puntos representativos de las características de cada zona y se denominan secciones porque supone una discretización del túnel, colocándose los sensores en un mismo plano perpendicular al tubo, es decir, en una sección.

Las secciones de Control pueden ser de Instrumentación, de Convergencias o  de ambas a la vez. Se define Convergencia,  como el movimiento relativo producido entre dos puntos del intradós del túnel. La lectura de esta medida será desarrollada más adelante, sin embargo, es importante señalar que, mediante una composición de lecturas de convergencia o cuerdas de convergencia, se obtiene información acerca del cierre, apertura u ovalización del túnel.

Las secciones instrumentadas pueden ser interiores o exteriores al túnel. Mediante la colocación de sensores en el exterior del túnel podemos evaluar la afección de la estructura al entorno. Las secciones exteriores ofrecen la ventaja frente a las interiores de poder realizar medidas previas a la excavación.

Denominamos hundimientos o subsidencias a los movimientos verticales de descenso de la superficie, motivadas por una actividad minera o excavación de un túnel. También existen movimientos de ascenso o elevaciones del terreno, normalmente asociadas a actividades de inyección de mortero o jet-grouting. Es necesario controlar ambas situaciones por la posible afección a estructuras colindantes, así como para la detección y previsión de formación de chimeneas.

El sostenimiento de un túnel es el elemento constructivo al que se confía la integridad estructural de la excavación subterránea, mientras que el revestimiento es un elemento constructivo cuya finalidad es, principalmente, estética. La mayoría de las veces el revestimiento se ejecuta con hormigón en masa.

No obstante, en ocasiones, el revestimiento adquiere funciones estructurales, requiriendose entonces un armado adecuado:

•  Si se estima que el sostenimiento tiene carácter temporal o provisional.

• Si también hace la función de sostenimiento: dovelas prefabricadas colocadas desde tuneladora escudada.
• Si se considera que pueden existir presiones de hinchamiento o expansividad en el terreno a largo plazo.

También suele confiársele al revestimiento la función impermeabilizante.

El sostenimiento, en función de las solicitaciones del terreno, se ejecuta con hormigón proyectado, bulones y cerchas metálicas, diseñándose como combinaciones diversas de los elementos anteriores.

El objeto de este documento es la descripción pormenorizada de los sistemas y sensores de instrumentación: estado del arte, aplicaciones, desarrollo y futuro. Aspecto importante de éste documento será intentar definir parámetros para su armonización y gestión integral, posibilitando relacionarlos entre sí para su optimización e interpretación conjunta.

Con respecto al estado del arte del campo investigado, se ha realizado una completa y exhaustiva recopilación de los diversos sensores e instrumentos existentes, explicando pormenorizadamente su funcionamiento, así como el fundamento físico en que se basan y una descripción de la manipulación e interpretación de los datos que obtienen.

Esta interpretación dará paso al desarrollo de aplicaciones de dichas lecturas para una gestión operativa de los sensores.

Finalmente, se esbozarán el desarrollo y futuro de la Instrumentación y Auscultación de Túneles y Obras Subterráneas en la evolución de la técnica en cuestiones como la fiabilidad y la automatización, como nuevas líneas de investigación y correlación de las diversas variables a través del análisis conjunto e integración de las mismas, o comparación de las medidas con los resultados arrojados por Modelos Matemáticos de Comportamiento.

Resumiendo, los objetivos planteados con respecto a la Instrumentación y Auscultación de Túneles son:

                1. Análisis del Estado del Arte

                2. Establecer Principios para la Armonización de Resultados

                3. Potenciar la Gestión Integrada

                4. Esbozar el Desarrollo y Futuro

El fin último de este documento es sentar las bases para un desarrollo de éstas correlaciones y análisis, así como dotar al estudiante o ingeniero novel de la suficiente información para realizar un Plan de Auscultación para una obra real.

AL PRINCIPIO DE LA ENTRADA SE INCLUYE UN VÍNCULO CON EL TEXTO COMPLETO.